Nové terapeutické přístupy s malými molekulami pro Alzheimerovu chorobu a Parkinsonovu chorobu založené na cílení na mikroRNA

Úloha mikroRNA v progresi neurodegenerativních onemocnění: MikroRNA (miRNA) jsou endogenní, nekódující a krátké RNA nukleotidy, které regulují genovou expresi prostřednictvím párování bází s cílenou messenger RNA (mRNA) v 3′nepřekládané oblasti (3′ UTR). MiRNA tedy hrají zásadní roli v inhibici nebo degradaci messengerových RNA (Gebert a MacRae, 2019). Dva enzymy ribonukleázy (RNáza) III kontrolují biogenezi miRNA; Drosha a Dicer. První krok v biogenezi zahrnuje štěpení primárních miRNA (pri-miRNA) v buněčném jádře pomocí Droshy, což vede k vytvoření krátkých pre-miRNA s kmenovou smyčkou. Následně jsou tyto pre-miRNA transportovány do cytoplazmy a dále zpracovávány Dicerem, což vede ke zralým miRNA (O'Brien et al., 2018).

Klikněte pro tobolky cistanche tubulosa pro Alzheimerovu chorobu

Řada onemocnění vykazuje abnormální expresi miRNA, jako je rakovina prsu, leukémie, hepatocelulární karcinom a kardiovaskulární a neurodegenerativní onemocnění. Bylo identifikováno více než 2000 miRNA, které mají klíčovou roli v diferenciaci neuronů, což zdůrazňuje zapojení miRNA do různých neuronálních procesů. Literatura odhaluje, že miRNA se podílejí na různých drahách, které se přímo podílejí na progresi neurodegenerativních onemocnění (obrázek 1A). -Synuklein, presynaptický protein podílející se na neurologických poruchách, je vnitřně neuspořádaný protein. Agregace -synukleinu za vzniku nerozpustných fibril a Lewyho tělísek je klíčovým patologickým znakem pro diagnostiku neurologických poruch, jako je Parkinsonova choroba a Alzheimerova choroba. Agregace -synukleinu v lidských neuroblastomových buňkách je podporována miR-16-1, což je připisováno schopnosti miR-16-1 downregulovat protein tepelného šoku 70. V poslední době schopnost miR-153 negativně regulovat -synuklein bylo prokázáno u parkinsonských myší (Cressatti et al., 2019).

Inhibice miR-34b u pacientů s Parkinsonovou chorobou navíc zvýšila expresi -synukleinu v lidském mozku. Tau, protein asociovaný s mikrotubuly, je exprimován ve zralém lidském mozku v šesti izoformách. Abnormální hyperfosforylace a agregace tau do zralých fibril jsou pozorovány u Alzheimerovy choroby, stejně jako u jiných neurologických poruch, nazývaných tauopatie. Downregulace miR-212 a miR-132 byla detekována v neurálně derivovaných plazmatických exozomech pacientů s Alzheimerovou chorobou (Cha et al., 2019). Na základě těchto zjištění je hodnocení hladin miR212 a miR-132 v extracelulárních vezikulách považováno za slibný diagnostický nástroj pro Alzheimerovu chorobu. Četné zprávy prokázaly souvislost mezi neurodegenerativními onemocněními a dysfunkcí mitochondriální dynamiky, jako je změna velikosti mitochondrií, změněný tvar, štěpení-fúze a pohyb mitochondrií). V této souvislosti se uvádí, že miR{9}}a potlačuje expresi PTEN-indukované domnělé kinázy 1, mitochondriální serin/threonin kinázy, která je klíčovým hráčem v mitofágii. MiR{12}}a tedy hraje klíčovou roli v řízení autofagické clearance poškozených mitochondrií.

Mutace v PTEN indukované domnělé kináze 1 jsou považovány za hlavního přispěvatele k autozomálně recesivní Parkinsonově chorobě. V tomto smyslu miR-494 indukuje poškození mitochondrií a poškození neuronů vyvolané oxidačním stresem snížením exprese proteinu 7 Parkinsonovy choroby, inhibitoru agregace -synukleinu (Catanesi et al., 2020). Kromě toho nový miR-455- 3p prokázal ochrannou aktivitu proti agregaci amyloidu řízením exprese mitochondriálních štěpných proteinů a regulací mitochondriální dynamiky (Kumar et al., 2019). V posledních letech se -sekretáze 1 (BACE1) dostává stále větší pozornosti jako kritickému terapeutickému cíli pro Alzheimerovu chorobu. BACE-1, také známý jako enzym 1 štěpící amyloidní prekurzorový protein, je hlavní sekretáza zapojená do produkce amyloidních peptidů v lidském mozku. Následná agregace a fibrilace těchto peptidů za vzniku amyloidních plaků jsou klíčovými diagnostickými znaky Alzheimerovy choroby.

Kromě toho řada důkazů prokázala neurotoxicitu malých oligomerů amyloidních peptidů. MiR-298 byl nedávno identifikován jako represor BACE1 v modelu lidské neuronální buněčné kultury, což odhaluje terapeutický potenciál miR298 pro neurodegenerativní onemocnění (Chopra et al., 2020). Kromě toho je exprese BACE-1 přímo regulována miR15b, která funguje tak, že cílí na BACE1 mRNA 3′-UTR (Gong et al., 2017). Tato zjištění ukazují, že miRNA jsou klíčovými hráči při kontrole funkce BACE{11}} a její role v patogenezi neurodegenerativních onemocnění.

Vývoj malých molekul pro neurodegenerativní onemocnění založený na cílení miRNA:

Zacílení miRNA způsobujících onemocnění malými molekulami odhalilo slibné výsledky in vitro i in vivo screeningu. Značné výzkumné úsilí bylo tedy zaměřeno na vývoj nových strategií pro identifikaci a návrh malých molekul s potenciální schopností vázat miRNA. Krátké sekvence miRNA však bránily identifikaci silných vazebných látek s malými molekulami a posunuly zaměření směrem k cílení pre-miRNA s delšími sekvencemi. Inforna a Inforna 2.0 jsou nástroje vyvinuté k identifikaci malých molekul zaměřených na strukturované RNA. Tyto přístupy jsou založeny na dolování motivů (sekundárních struktur) RNA na základě jejich sekvencí.

Tyto motivy jsou poté porovnány s databází známých vazebných partnerů motiv RNA-malá molekula. Inforna pak nahlásí motiv v databázi stejně jako cílovou RNA. Informa byla nedávno využita při identifikaci sloučeniny 1 (obrázek 1B) jako inhibitoru exprese -synukleinu (Zhang et al., 2020). Sloučenina 1 cílí na -synukleinovou mRNA 5' UTR a snižuje hladiny a-synukleinu snížením množství SNCA mRNA naložené do polysomů. Nedávno se RIBOTAC (ribonukleázové cílené chiméry) vyvinuly jako nová třída malých molekul, které mohou cílit na různé třídy RNA, včetně miRNA a mRNA (Dey a Jaffrey, 2019). Konstrukce RIBOTAC je založena na navázání RNA-vazebných molekul na malou molekulu, která aktivuje RNA L, latentní ribonukleázu, což má za následek degradaci cílové RNA

Vícecílové směrované ligandy (MTDL) pro neurodegenerativní onemocnění zaměřené na miRNA:

MTDL jsou ligandy, které jsou navrženy tak, aby interferovaly s mnoha cestami zapojenými do progrese neurologických poruch, protože mají mnohostranný rys. Pozoruhodný úspěch MTLD při identifikaci malých molekul s in vitro a in vivo účinností v modelech neurodegenerativních onemocnění vyústil v pokračující úsilí ve vývoji nových nástrojů pro návrh MTDL. V této souvislosti byla nedávno publikována nová strategie identifikace MTDL pro neurodegenerativní onemocnění, která je založena na duální inhibici acetylcholinesterázy a biogenezi miRNA (Gabr a Brogi, 2020). Sloučenina 2 (obrázek 1B), duální inhibitor acetylcholinesterázy a biogeneze miR-15b, byla účinnější než donepezil a anti-miR-15 při ochraně buněk neuroblastomu SH-SY5Y před cytotoxicitou vyvolanou amyloidem-beta .

Kromě toho byla jako slibná strategie pro návrh MTDL popsána duální inhibice tau oligomerizace a biogeneze miRNA zapojených do progrese neurologických poruch (např. miRNA{0}}a) (Gabr a Barbault, 2020). Výsledkem tohoto přístupu byla sloučenina 3 (obrázek 1B), která vykazovala lepší neuroprotektivní aktivitu než miRNA146a antagomir a MK-886, inhibitor agregace tau. Tyto studie dále ilustrují, že design MTDL zaměřený na inhibici biogeneze miRNA ukázal preferenční terapeutický profil ve srovnání s monocílenými terapeutiky. Proto bude další screening výsledků těchto přístupů pomocí in vivo modelů neurodegenerativních onemocnění zásadní pro budoucí optimalizaci

Budoucí pokyny:

Vývoj účinných strategií k identifikaci malých molekul, které mohou selektivně vázat miRNA, bude mít pozoruhodný vliv na schopnost řídit expresi proteinů zapojených do neurodegenerativních onemocnění. Inhibitory Drosha a Dicer s malými molekulami byly rozsáhle studovány jako nástroje k inhibici biogeneze miRNA. Nicméně, četné inhibitory Dicer a Drosha vykazují oslabenou miRNA vazebnou afinitu v buněčném prostředí, stejně jako neschopnost blokovat zrání miRNA.

Tyto výsledky jsou připisovány promiskuitnímu zacílení těchto malých molekul a také jejich konkurenci s jinými makromolekulami ve vazbě miRNA. Proto je velmi žádoucí vytvoření nových přístupů pro selektivní vazbu miRNA. Syntéza řízená kinetickým cílem (KTGS) je přístup založený na objevování léčiv na bázi fragmentů, ve kterém biologický cíl vybírá své bidentátní ligandy jejich sestavováním ze skupiny malých reaktivních fragmentů.

V KTGS biologický cíl urychluje tvorbu kovalentní vazby mezi stavebními bloky s komplementárními reaktivními funkčními skupinami prostřednictvím zvýšené doby rezonance. Po disociaci od cíle mohou být KTGS hity detekovány v médiu pomocí kapalinové chromatografie-hmotnostní spektrometrie. Potenciální cestou pro identifikaci selektivních vazebných látek miRNA by bylo použití KTGS k identifikaci malých molekul vazebných látek cílové miRNA.

Reference

Catanesi M, D'Angelo M, Tupone MG, Benedetti E, Giordano A, Castelli V, Cimini A (2020) Dysregulace mikroRNA a mitochondriální dysfunkce u neurodegenerativních onemocnění. Int J Mol Sci 21:5986.

Cha DJ, Mengel D, Mustapic M, Liu W, Selkoe DJ, Kapogiannis D, Galasko D, Rissman RA, Bennett DA, Walsh DM (2019) miR-212 a miR-132 jsou downregulovány v neurálně odvozených plazmatické exosomy pacientů s Alzheimerovou chorobou. Přední Neurosci 13:1208.

Chopra N, Wang R, Maloney B, Nho K, Beck JS, Pourshafie N, Niculescu A, Saykin AJ, Rinaldi C, Counts SE, Lahiri DK (2020) MicroRNA-298 snižuje hladiny lidského amyloidového prekurzorového proteinu ( APP), enzym konvertující APP 1 (BACE1) a specifické skupiny tau proteinu.

Mol Psychiatry doi:10.1038/s41380-019- 0610-2.

Cha D, Mengel D, Mustapic M, Liu W, Selkoe D, Kapogiannis D, Galasko D, Rissman R, Gong G, An F, Wang Y, Bian M, Yu LJ, Wei C (2017) miR-15 b potlačuje expresi BACE1 u sporadické Alzheimerovy choroby. Oncotarget 8:91551-91557.

Cressatti M, Song W, Turk AZ, Garabed LR, Benchaya JA, Galindez C, Liberman A, Schipper HM (2019) Gliální exprese HMOX1 podporuje centrální a periferní dysregulaci synukleinu a patogenitu u parkinsonských myší. Glia 67:1730-1744.

Dey SK, Jaffrey SR (2019) RIBOTACs: Malá molekulová cílová RNA pro degradaci. Cell Chem Biol 26:1047-1049.

Kumar S, Reddy AP, Yin X, Reddy PH (2019) Nová mikroRNA-455-3p a její ochranný účinek proti abnormálnímu zpracování APP a toxicitě beta amyloidu u Alzheimerovy choroby. Biochem Biophys Acta Mol Basis Dis 1865:2428-2440.

O'Brien J, Hayder H, Zayed Y, Peng C (2018) Přehled biogeneze mikroRNA, mechanismů působení a cirkulace. Přední Endocrinol 9:402.

Gabr MT, Barbault F (2020) První duální pojivo mikroRNA146a a monomerního tau: Nový přístup k vícecíleným terapeutikám pro neurodegenerativní onemocnění. Chem Commun 56:9695-9698.

Gabr MT, Brogi S (2020) Multitargetový přístup pro Alzheimerovu chorobu založený na mikroRNA: Objev prvního duálního inhibitoru acetylcholinesterázy a biogeneze mikro-RNA-15b. J Med Chem 63:9695- 9704.

Gebert LFR, MacRae IJ (2019) Regulace funkce mikroRNA u zvířat. Nat Rev Mol Cell Biol 20:21-37.

Zhang P, Park HJ, Zhang J, Junn E, Andrews RJ, Velagapudi SP, Abegg D, Vishnu K, Costales MG, Childs-Disney JL, Adibekian A, Moss WN, Mouradian MM, Disney MD (2020) Překlad intrinsically neuspořádaný protein a-synuklein je inhibován malou molekulou zacílenou na jeho strukturu

další informace:ali.ma@wecistanche.com